“創(chuàng)世紀(jì)”-全球首個(gè)非政府月球探測任務(wù)分析

王帥 張博 （北京空間科技信息研究所，中國空間技術(shù)研究院）

北京時(shí)間2019年2月22日9時(shí)45分，太空以色列公司（SpaceIL）研制的“創(chuàng)世紀(jì)”（Beresheet）月球探測器搭乘太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹―9運(yùn)載火箭發(fā)射升空，33min后探測器與火箭分離，開始飛向月球。經(jīng)過一個(gè)多月的地月轉(zhuǎn)移，“創(chuàng)世紀(jì)”探測器于4月4日成功進(jìn)入環(huán)月軌道，但在4月12日的著陸過程中出現(xiàn)故障，最終墜毀月球?！皠?chuàng)世紀(jì)”探測器是以色列首個(gè)月球探測器，也是世界上首個(gè)由私人企業(yè)研制和發(fā)射的月球探測器。盡管“創(chuàng)世紀(jì)”探測器最終未能實(shí)現(xiàn)月球著陸，但該任務(wù)不僅實(shí)現(xiàn)了以色列深空探測“零”的突破，也使得以色列成為第七個(gè)實(shí)現(xiàn)月球環(huán)繞的國家，同時(shí)促進(jìn)了全球商業(yè)月球探測的萌芽。

1 研制背景

“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)最初是太空以色列公司參與谷歌月球X大獎(jiǎng)賽（Google Lunar XPRIZE，GLXP）提出的月球探測任務(wù)。任務(wù)可以追溯至2011年，3位年輕以色列工程師成立了以色列非盈利組織——太空以色列公司，致力于向月球發(fā)射以色列的第一個(gè)月球探測器，贏得谷歌月球X大獎(jiǎng)賽。

該大獎(jiǎng)賽是一項(xiàng)由XPRIZE基金會組織、谷歌公司贊助的激勵(lì)型太空競賽。大獎(jiǎng)賽號召由私人贊助的航天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)向月球表面發(fā)射一個(gè)月球探測器，行駛500m，并傳回高清視頻和圖像。大獎(jiǎng)賽獎(jiǎng)金總額為3000萬美元。2018年，大獎(jiǎng)賽在沒有團(tuán)隊(duì)完成比賽目標(biāo)的情況下終止，太空以色列公司作為大獎(jiǎng)賽最終階段僅存的五個(gè)團(tuán)隊(duì)之一，繼續(xù)開展任務(wù)。

“創(chuàng)世紀(jì)”項(xiàng)目成本約為9500萬美元，主要由猶太捐助者提供，其中大部分由以色列億萬富翁和慈善家莫里斯·卡恩提供。太空以色列公司得到了以色列航天局（ISA）等多個(gè)航天機(jī)構(gòu)以及教育機(jī)構(gòu)的技術(shù)支持，探測器主承包商為以色列航天工業(yè)公司（IAI）。

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器結(jié)構(gòu)示意圖

2 任務(wù)基本情況

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器原名“麻雀”（Sparrow），于2018年12月正式命名為“創(chuàng)世紀(jì)”，是太空以色列公司研制的私人月球探測器。

任務(wù)目標(biāo)

“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)的目標(biāo)主要瞄準(zhǔn)谷歌月球X大獎(jiǎng)賽的目標(biāo)，包括：①在月球表面實(shí)現(xiàn)軟著陸；②在月球表面行進(jìn)500m；③將拍攝的高清視頻和圖片傳回地球。此外，“創(chuàng)世紀(jì)”探測器將測量月球的磁場，以幫助科學(xué)家研究月球是如何形成的。

除了比賽目標(biāo)之外，太空以色列公司還有著更宏大的愿景，其將“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)考慮為一項(xiàng)國家任務(wù)：利用“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)鼓舞人心的故事，為以色列和世界各地的下一代創(chuàng)造教育影響。公司期望能夠創(chuàng)造新的“阿波羅效應(yīng)”，教育和激勵(lì)以色列乃至全世界的年輕一代，培養(yǎng)他們對于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的興趣。太空以色列公司承諾將大獎(jiǎng)賽的獎(jiǎng)金用于促進(jìn)以色列的科學(xué)發(fā)展和科學(xué)教育，確保以色列繼續(xù)在這些領(lǐng)域保持卓越地位。公司正與教育部一起推出一系列教育計(jì)劃，以幫助學(xué)生跟蹤探測器的旅程。

探測器設(shè)計(jì)

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器直徑約為2m，高約1.5m，發(fā)射質(zhì)量為585kg，其中包含了約400kg的推進(jìn)劑?！皠?chuàng)世紀(jì)”探測器配備4個(gè)著陸腿，每個(gè)著陸腿由3個(gè)伸縮式支柱組成，形成倒三角架的形狀。三腳架尖端配有一個(gè)與月球表面接觸的腳墊?！皠?chuàng)世紀(jì)”探測器攜帶的有效載荷包括魏茨曼科學(xué)研究所提供的磁力儀，以及美國國家航空航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心提供的、用于測量月球精確軌道的激光后向反射器陣列。

此外，探測器還攜帶了一個(gè)利用納米技術(shù)銘刻著希伯來圣經(jīng)的、硬幣大小的金屬片，以及一個(gè)裝有3個(gè)小磁盤的時(shí)間膠囊，內(nèi)容包括以色列獨(dú)立宣言和國歌、大屠殺幸存者記憶、以色列兒童的太空和月球繪畫、徒步旅行者的祈禱和已故總統(tǒng)西蒙佩雷斯的筆記等以色列歷史和文化信息。

為了降低成本和質(zhì)量，“創(chuàng)世紀(jì)”探測器沒有備份的冗余系統(tǒng)，其設(shè)備出現(xiàn)故障就可能導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目失敗。

2.2 王屋鎮(zhèn)各樹種“古樹之最”的生境 調(diào)查表明，王屋鎮(zhèn)各樹種“古樹之最”位于家戶門前、寺廟周邊、景區(qū)之內(nèi)、道路邊(表2)，海拔為389～981 m，坡向多為南向，坡度為0～30°，坡位多為中、下位，土質(zhì)多為褐土。

任務(wù)實(shí)施歷程

北京時(shí)間2019年2月22日，“創(chuàng)世紀(jì)”探測器搭乘獵鷹-9火箭發(fā)射升空，在進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)6×104km的超地球同步轉(zhuǎn)移軌道后與火箭分離。然后，探測器將利用自身推進(jìn)器逐漸提高繞地球軌道高度，直至到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)約為4×105km的軌道。4月4日，探測器在與月球交會處實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了6min的點(diǎn)火，使探測器速度降低了1000km/h，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了探測器的月球捕獲，探測器進(jìn)入500km×10000km的環(huán)月軌道。隨后，探測器再次實(shí)施機(jī)動(dòng)進(jìn)入200km的環(huán)月圓形軌道，并在著陸前進(jìn)入了近月點(diǎn)15～17km、遠(yuǎn)月點(diǎn)200km的軌道。

北京時(shí)間4月12日3時(shí)25分，“創(chuàng)世紀(jì)”探測器開始實(shí)施月球著陸，著陸初期進(jìn)展較為順利，主發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火，探測器還在距月面約22km處拍攝并返回一幅包括月面和自身攜帶的旗幟的照片。但之后，探測器主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，地面控制人員嘗試重啟發(fā)動(dòng)機(jī)以使其重新正常工作，但為時(shí)已晚，探測器墜毀在月球表面。

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器原計(jì)劃登陸月球后，將拍攝著陸地點(diǎn)并利用磁力儀開展月球磁場的測量。由于沒有熱控系統(tǒng)，探測器只能在月面工作2天左右的時(shí)間。計(jì)劃著陸在月球北半球的澄海內(nèi)，著陸區(qū)域直徑約為15km。該地點(diǎn)具有磁異常，探測器的磁力計(jì)裝置將獲取該地區(qū)的磁力信息，并將其用于科學(xué)研究。

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器軌道示意圖

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器著陸地點(diǎn)示意圖

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)是全球首次非政府月球探測任務(wù)，與以往政府開展的民用月球探測任務(wù)存在較大差異。

全球首次私人月球任務(wù)，推動(dòng)商業(yè)月球探測萌芽

“創(chuàng)世紀(jì)”是非傳統(tǒng)航天大國開展的首次月球探測任務(wù)，也是全球首次由私人資助的月球探測任務(wù)，推動(dòng)了商業(yè)月球探測的萌芽。盡管探測器未能成功著陸月球表面，但其成功進(jìn)入了環(huán)月軌道，使以色列成為了世界上第七個(gè)成功實(shí)施月球環(huán)繞的國家。

盡管“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)只是一次探索和試驗(yàn)性任務(wù)，沒有實(shí)質(zhì)上的商業(yè)行為，但其開辟了月球探索公私合作的道路。2018年10月，NASA在“月球發(fā)現(xiàn)和探索計(jì)劃”的支持下，開始參與“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)。NASA向任務(wù)提供了激光后向反射器陣列、任務(wù)期間的通信支持等。太空以色列公司將與NASA共享探測器獲得的數(shù)據(jù)。

此次任務(wù)一定程度上踐行了NASA商業(yè)月球探測的模式，探測器搭載了NASA的載荷，NASA提供深空通信支持，同時(shí)雙方共享探測數(shù)據(jù)?？梢哉f，“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)盡管沒有商業(yè)有效載荷搭載，但促進(jìn)了全球商業(yè)月球探測的萌芽。

偏重工程以及政治目標(biāo)，科學(xué)探測內(nèi)容相對較少

不同于其他大獎(jiǎng)賽參賽任務(wù)的是，“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)的政治色彩相當(dāng)濃重。更多包含了完成以色列首次月球探測并開展教育活動(dòng)的政治目標(biāo)。很大程度上，此次月球探測任務(wù)代表了以色列，從任務(wù)目標(biāo)角度看，任務(wù)除了實(shí)現(xiàn)大獎(jiǎng)賽工程目標(biāo)外，還包含激勵(lì)以色列下一代和發(fā)展科學(xué)教育等內(nèi)容；從任務(wù)研制角度看，以色列國家工業(yè)和院校深度參與了該項(xiàng)任務(wù)，以色列航天工業(yè)公司等企業(yè)給予了大力的技術(shù)支持；從任務(wù)性質(zhì)角度看，太空以色列公司的商業(yè)目的和未來商業(yè)規(guī)劃明顯弱于其他大獎(jiǎng)賽參賽隊(duì)伍，同時(shí)大量以色列志愿者參與了任務(wù)，性質(zhì)更接近民用；從任務(wù)宣傳角度看，大量宣傳直接將其稱為“以色列首次月球探測”，公司也將其視為一項(xiàng)國家任務(wù)看待，很少提及商業(yè)或私人公司等要素，同時(shí)官方網(wǎng)頁包含了大量的教育元素，類同于歐美等國的民用探測任務(wù)。

上述內(nèi)容很大程度上與以色列未發(fā)射過月球探測器有關(guān)，畢竟“創(chuàng)世紀(jì)”探測器是以色列研制的首個(gè)月球探測器，而美國、日本和印度等國均發(fā)射過月球探測器，政府重視程度不可同比，公司也將其視為一次政府任務(wù)來開展。總的看來，除了經(jīng)費(fèi)贊助者的私人性質(zhì)明確以外，很多的要素都與商業(yè)航天關(guān)聯(lián)性較弱，其政治目的明顯高于其他大獎(jiǎng)賽參賽任務(wù)。

探測任務(wù)設(shè)計(jì)中規(guī)中矩，月面移動(dòng)方案相對創(chuàng)新

“創(chuàng)世紀(jì)”的任務(wù)設(shè)計(jì)主要圍繞實(shí)現(xiàn)谷歌月球X大獎(jiǎng)賽展開，除了采取反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“跳躍”從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)以外，該任務(wù)就是一個(gè)小型簡化版的傳統(tǒng)月球著陸器任務(wù)。

探測器與傳統(tǒng)的月球和火星著陸器構(gòu)型類似，著陸方式也采用了當(dāng)前主流的反推發(fā)動(dòng)機(jī)+著陸腿緩沖，任務(wù)軌道方面則受限于發(fā)射成本而選擇了時(shí)間較長的飛行方式，著陸地點(diǎn)方面選擇了月球正面平坦區(qū)域中具有磁場異常的地點(diǎn)，可以開展磁場探測，整個(gè)探測器看來就是一個(gè)小型簡化版的傳統(tǒng)月球著陸器。只是在月面移動(dòng)方案上進(jìn)行了創(chuàng)新，沒有采用履帶式或輪式月球車進(jìn)行表面移動(dòng)，而是考慮采用反推發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火升空并著陸，從而完成移動(dòng)。這樣做既節(jié)省了研制月球車的成本，又降低了探測器的質(zhì)量，但在谷歌月球X大獎(jiǎng)賽終止之后，太空以色列公司就暫緩了移動(dòng)的目標(biāo)，將主要精力集中在著陸目標(biāo)上。

4 結(jié)論

任務(wù)性價(jià)比仍相對較低，短時(shí)間無法用于商用

“創(chuàng)世紀(jì)”項(xiàng)目成本約為1億美元，其中不包括以色列航天機(jī)構(gòu)和科研院校提供的無償技術(shù)支持。項(xiàng)目成本確實(shí)仍低于歐美傳統(tǒng)月球著陸任務(wù)，但其功能相對有限，有效載荷搭載能力較低，且僅能在月面生存約2天；同時(shí)設(shè)備沒有備份，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)失敗，可靠性非常低。在當(dāng)前探月模式未發(fā)生重大變化的情況下，“創(chuàng)世紀(jì)”探測器的性價(jià)比并不高。

利用“創(chuàng)世紀(jì)”探測器實(shí)現(xiàn)商業(yè)盈利還需要一段時(shí)間。不過，利用商業(yè)資金開展非政府創(chuàng)新航天任務(wù)的模式值得借鑒，該模式既可引入商業(yè)投資，也減輕了政府任務(wù)必須成功的壓力，有助于加速推進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)和創(chuàng)新任務(wù)的發(fā)展。

商業(yè)月球探測開始萌芽，應(yīng)把握當(dāng)前發(fā)展機(jī)遇

“創(chuàng)世紀(jì)”探測器的發(fā)射正式開啟了非政府私人月球探測，實(shí)踐了商業(yè)搭載有效載荷的模式，為未來政府和高?？蒲袡C(jī)構(gòu)、私人公司甚至個(gè)人開展月球科學(xué)探測和開發(fā)提供了新的路徑。近年來，NASA也在積極探索商業(yè)月球有效載荷服務(wù)的道路，期望將近地商業(yè)載人運(yùn)輸?shù)某晒?jīng)驗(yàn)應(yīng)用到月球探測上，未來商業(yè)月球探測有望重塑當(dāng)前近地軌道商業(yè)運(yùn)輸?shù)姆睒s景象。

月球探測市場尚未成形，應(yīng)注重監(jiān)管行業(yè)發(fā)展

盡管NASA已經(jīng)開始布局商業(yè)月球探測，多國私人企業(yè)也在積極發(fā)展商業(yè)月球探測計(jì)劃。但探月活動(dòng)尚未進(jìn)入大規(guī)模實(shí)施和應(yīng)用階段，當(dāng)前需求僅限于有限的國家科研機(jī)構(gòu)，且由于政治因素，各國采購將主要在國內(nèi)進(jìn)行，短期內(nèi)商業(yè)月球探測市場可能存在供應(yīng)能力遠(yuǎn)超實(shí)際需求、配套設(shè)施與應(yīng)用體系建設(shè)嚴(yán)重滯后等問題。

預(yù)計(jì)近期很多商業(yè)月球探測公司都可能面臨載荷空間利用不全的情況，應(yīng)合理評估未來市場、有序穩(wěn)步發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)商業(yè)應(yīng)用體系的完善。